CN112335465B - 一种昼夜互补式土壤供暖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种昼夜互补式土壤供暖系统，该供暖系统的发酵池经管道连接相变材料装置，相变材料装置通过管道连接蓄热水槽，形成回路，相变材料装置经管道连接发酵池，发酵池通过管道连接蓄热水槽，形成回路，太阳能进水泵一端连接蓄热水槽，一端连接太阳能集热器，太阳能集热器通过管道再连接蓄热水槽，形成回路，管道最后连接蓄热水槽，形成回路。解决了单级和多级互补太阳能供暖系统的不足，本发明在原有的单级太阳能供暖系统上加以改进，通过以发酵池为互补热源，相变材料装置为热量的存贮装置，降低成本并解决了能源消耗、环境污染及单级太阳能供暖系统不可长时间持续供热，无法在夜间持续供暖的问题，从而实现全天持续供暖。

Description

一种昼夜互补式土壤供暖系统
技术领域
本发明涉及一种昼夜互补式土壤供暖系统，属于土壤供暖系统技术领域。
背景技术
随着大棚种植果蔬愈发普及，但冬季由于土壤温度过低，大棚内果蔬根系容易受低温冻伤，不利于果蔬的生长，因此发展土壤供暖技术变得更加重要。我国北方大多数农村地区使用火炕、火炉及燃煤锅炉等方式供暖，农村传统采暖方式热转化率较低，能源浪费巨大，土壤受热不均，且环境污染严重，因此迫切需要在北方农村地区推广清洁取暖技术。目前，清洁供暖措施主要有“煤改气”、“煤改电”和可再生能源等方式，但“煤改气”、“煤改电”方案虽为清洁能源，但仍存在价格过高、使用安全、农村地区管路敷设困难、NOX污染等问题。
目前，现有技术包括单级的太阳能供暖系统和多级互补的太阳能供暖系统，单级太阳能系统不可长时间持续供热，且受日照时长、天气变化的影响，多级互补的太阳能供暖系统都是以电供暖、燃烧、热泵等方式，其中电供暖和燃烧方式存在着浪费资源和污染环境等问题，而热泵性能受外部环境影响较大，在恶劣气候条件下会出现制热量降低的问题，单独使用会使运行费用过高。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中提到的技术问题，提出一种昼夜互补式土壤供暖系统，在原有的单级太阳能供暖系统上加以改进，通过以发酵池为互补热源，相变材料装置为热量的存贮装置，降低成本并解决了能源消耗、环境污染及单级太阳能供暖系统不可长时间持续供热，无法在夜间持续供暖，受日照时长、天气变化的问题，从而实现全天持续供暖。
本发明提出一种昼夜互补式土壤供暖系统，包括太阳能集热器、蓄热水槽、相变材料装置、发酵池、高温容器换热装置、太阳能进水泵、地下进水泵、夜间进水泵和日间进水泵；所述高温容器换热装置设置在蓄热水槽中，所述日间进水泵一端连接蓄热水槽，一端连接发酵池，发酵池经管道连接相变材料装置，相变材料装置通过管道连接蓄热水槽，形成回路，所述夜间进水泵一端连接蓄热水槽，一端连接相变材料装置，相变材料装置经管道连接发酵池，发酵池通过管道连接蓄热水槽，形成回路，所述太阳能进水泵一端连接蓄热水槽，一端连接太阳能集热器，太阳能集热器通过管道再连接蓄热水槽，形成回路，所述地下进水泵一端连接蓄热水槽，一端连接地下管道，地下供暖回水管最后连接蓄热水槽，形成回路。
优选地，所述相变材料装置包括箱体、相变材料和螺旋管道，所述箱体的内部放置有相变材料，所述相变材料内部插有螺旋管道，日间通过插在相变材料内部的螺旋管道，将水从发酵池中吸收的热量传递给相变材料以存储热量，夜间在通过同样的方式，但水流方向相反，将相变材料存储的热量传递给水。
优选地，所述相变材料为石蜡。
优选地，所述箱体外包有保温层。
优选地，所述箱体为塑料箱体。
优选地，所述高温容器换热装置斜放在蓄热水槽中。
优选地，所述高温容器换热装置包括进气管、排水管和排气管，所述高温容器换热装置的进气口与发酵池通过进气管连接，排气口与大棚室内通过排气管连接，从发酵池中流出的高温二氧化碳气体和水蒸气经容器内部换热，同时向大棚室内排出二氧化碳气体肥料，所述高温容器换热装置的底部设有排水管，及时排出冷凝水。
优选地，所述昼夜互补式土壤供暖系统还包括热电偶和湿度探头，所述发酵池上设置有热电偶和湿度探头，所述湿度探头用于测量发酵池中的湿度，监测发酵池中的湿度和是否有漏水的情况。
优选地，所述昼夜互补式土壤供暖系统还包括电磁阀A、电磁阀B和恒温阀A，所述电磁阀A和恒温阀分别设置在日间进水泵两侧，所述电磁阀B设置在相变材料装置和发酵池之间，通过电磁阀A和电磁阀B实现对发酵池温度的控制，热电偶向电磁阀传输信号，使得当发酵池温度过低时自动关闭电磁阀A和电磁阀B，水将不再流入发酵池中，待发酵池通过微生物的发酵使温度回升则阀门自动开启，继续循环，恒温阀控制进入发酵池中的水温，当日间进水管温度过高则自动关闭恒温阀。
本发明所述的昼夜互补式土壤供暖系统的有益效果为：
1、本发明所述的昼夜互补式土壤供暖系统，在单级太阳能供暖系统的基础上，将发酵池作为热源，与其它热源不同的是，发酵池既可通过自身微生物活动持续产热也可产生高温气体，其中二氧化碳气体可作为气体肥料，此外通过电磁阀的启闭可以自动控制是否从发酵池中取热，实现自适应可控化取热。
2、本发明所述的昼夜互补式土壤供暖系统，在原有的单级太阳能供暖系统上加以改进，结合太阳能和发酵池供暖的各自优点，与太阳能供暖系统优势互补，在白天阳光充足时利用太阳能系统进行供暖，同时将水从发酵池中吸收的热量传递给石蜡以存储热量。当在夜间和日照不足时，发酵池和相变材料装置进行补充供暖，解决了单级太阳能供暖系统无法在夜间持续供暖和其它互补热源供暖系统中如电供暖、燃烧等方式带来的能源消耗、环境污染及经济问题，实现了全天持续供暖，节能减排，避免资源浪费的目的。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本发明所述的昼夜互补式土壤供暖系统结构示意图；
图2是本发明所述的相变材料装置示意图；
图3是本发明所述的高温换热容器装置示意图；
图中：1-太阳能集热器，2-蓄热水槽，3-相变材料装置，4-发酵池，5-高温容器换热装置，6-太阳能进水泵，7-地下进水泵，8-夜间进水泵，9-日间进水泵，10-电磁阀A，11-电磁阀B，12-恒温阀，13-地下供暖回水管，14-石蜡，15-保温层，16-螺旋管道，17-进气管，18-排水管，19-排气管，20-热电偶，21-湿度探头。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-3说明本实施方式。本实施方式所述的昼夜互补式土壤供暖系统，包括太阳能集热器1、蓄热水槽2、相变材料装置3、发酵池4、高温容器换热装置5、太阳能进水泵6、地下进水泵7、夜间进水泵8和日间进水泵9；所述高温容器换热装置5设置在蓄热水槽2中，所述日间进水泵9一端连接蓄热水槽2，一端连接发酵池4，发酵池4经管道连接相变材料装置3，相变材料装置3通过管道连接蓄热水槽2，形成回路，所述夜间进水泵8一端连接蓄热水槽2，一端连接相变材料装置3，相变材料装置3经管道连接发酵池4，发酵池4通过管道连接蓄热水槽2，形成回路，所述太阳能进水泵6一端连接蓄热水槽2，一端连接太阳能集热器1，太阳能集热器1通过管道再连接蓄热水槽2，形成回路，所述地下进水泵7一端连接蓄热水槽2，一端连接地下管道，地下供暖回水管13最后连接蓄热水槽2，形成回路。
所述相变材料装置3包括箱体、相变材料和螺旋管道16，所述箱体的内部放置有相变材料，所述相变材料内部插有螺旋管道16，日间通过插在相变材料内部的螺旋管道16，将水从发酵池4中吸收的热量传递给相变材料以存储热量，夜间在通过同样的方式，但水流方向相反，将相变材料存储的热量传递给水。所述相变材料为石蜡14。所述箱体外包有保温层15。所述箱体为塑料箱体。所述相变材料装置3是在外部包裹保温层的塑料箱体内装入内部插有螺旋管道16的相变材料(石蜡)。在石蜡14内部插入螺旋管道16，实现水和石蜡均匀且充分的换热，为避免石蜡16相变融化后带来的体积增大和结构变形的问题，用塑料箱体将其包裹住，保证其结构不被破坏。
所述高温容器换热装置5斜放在蓄热水槽2中。所述高温容器换热装置5包括进气管17、排水管18和排气管19，所述高温容器换热装置5的进气口与发酵池4通过进气管17连接，排气口与大棚室内通过排气管19连接，从发酵池4中流出的高温二氧化碳气体和水蒸气经容器内部换热，同时向大棚室内排出二氧化碳气体肥料，所述高温容器换热装置5的底部设有排水管18，及时排出冷凝水。所述高温容器换热装置5设置在蓄热水槽2中，其进气口与发酵池4用一管路连接，排气口与大棚室内用一管路连接，另在底部设有排水管18。通过来自于发酵池4的高温气体，既能够利用其显热及潜热的特性加热蓄热水槽2中的水，还能够向大棚内排放二氧化碳气体肥料，实现资源的充分利用。
所述昼夜互补式土壤供暖系统还包括热电偶20和湿度探头21，所述发酵池4上设置有热电偶20和湿度探头21。所述发酵池4内的热电偶20用来监控发酵池4内的温度变化，热电偶20将信号传递给电磁阀，从而控制阀门的启闭，实现从发酵池中取热的自适应控制。湿度探头21用以监控发酵池4内湿度的变化，从而判断内部管路是否有漏水发生，以便及时检修。
所述昼夜互补式土壤供暖系统还包括电磁阀A10、电磁阀B11和恒温阀A12，所述电磁阀A10和恒温阀12分别设置在日间进水泵9两侧，所述电磁阀B11设置在相变材料装置3和发酵池4之间，通过电磁阀A10和电磁阀B11实现对发酵池4温度的控制，热电偶20向电磁阀传输信号，使得当发酵池4温度过低时自动关闭电磁阀A10和电磁阀B11，水将不再流入发酵池4中，待发酵池4通过微生物的发酵使温度回升则阀门自动开启，继续循环，恒温阀12控制进入发酵池4中的水温，当日间进水管温度过高则自动关闭恒温阀12。
所述电磁阀A10、恒温阀12设置在日间进水泵9旁，电磁阀B11设置在相变材料装置3和发酵池4之间。
所述的昼夜互补式土壤供暖系统的工作原理和具体工作过程为：
在白天阳光充足时，太阳能系统单独工作即可满足加热热水的条件，所以发酵池系统在白天负责储热，即开启太阳能进水泵6和日间进水泵9，关闭夜间进水泵8，蓄热水槽2内的水经太阳能进水泵6的驱动进入太阳能集热器1中，加热后的水回到蓄热水槽2中，开启地下进水泵7，将热水通入地下管道，再经地下供暖回水管回到蓄热水槽2中，完成一个供暖循环。同时蓄热水槽2中的水经日间进水泵9进入发酵池4中加热，随后水进入到3-相变材料装置中，经插入在石蜡14中的螺旋管道16与石蜡14进行换热，把白天从4-发酵池中吸收的热量存储起来，为防止石蜡14融化后导致体积增大和结构破坏，用塑料箱体将石蜡14包裹住，日间进水泵9旁的恒温阀12用来控制进入到发酵池中的水温不易过高。
在夜间或持续光照不足时，开启夜间进水泵8，关闭日间进水泵9和太阳能进水泵6，图中为阅读方便，连接发酵池4和相变材料装置3的管路分为实线和虚线两条管线(实为一条管线)，蓄热水槽2中的水经夜间进水泵的驱动，先后通过相变材料装置3和发酵池4二次加热升温回到蓄热水槽2，同时开启地下进水泵7，将热水通入地下管道，再经地下供暖回水管回到蓄热水槽2中，完成一个供暖循环。
无论白天还是夜间，通过电磁阀A10和电磁阀B11，来控制发酵池4中的温度，当发酵池4中的温度太低，热电偶20向电磁阀传输信号，则自动关闭电磁阀A10和电磁阀B11，阻断水的进入，待发酵池4温度温度升高则自动开启电磁阀A10和电磁阀B11，防止因发酵池4内温度太低而导致的换热不充分同时也有利与发酵池4中微生物的发育。
将高温换热容器装置5斜放置在蓄热水槽2中，发酵池4中排出的高温二氧化碳和水蒸气经进气管17进入到高温换热容器装置5中加热水槽中的水，经降温的二氧化碳从排气管19进入到大棚室内提供气体肥料，冷凝水则通过斜面从排水口18排出。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种昼夜互补式土壤供暖系统，其特征在于，包括太阳能集热器(1)、蓄热水槽(2)、相变材料装置(3)、发酵池(4)、高温容器换热装置(5)、太阳能进水泵(6)、地下进水泵(7)、夜间进水泵(8)和日间进水泵(9)；
所述高温容器换热装置(5)设置在蓄热水槽(2)中，所述日间进水泵(9)一端连接蓄热水槽(2)，一端连接发酵池(4)，发酵池(4)经管道连接相变材料装置(3)，相变材料装置(3)通过管道连接蓄热水槽(2)，形成回路；所述夜间进水泵(8)一端连接蓄热水槽(2)，一端连接相变材料装置(3)，相变材料装置(3)经管道连接发酵池(4)，发酵池(4)通过管道连接蓄热水槽(2)，形成回路；所述太阳能进水泵(6)一端连接蓄热水槽(2)，一端连接太阳能集热器(1)，太阳能集热器(1)通过管道再连接蓄热水槽(2)，形成回路，所述地下进水泵(7)一端连接蓄热水槽(2)，一端连接地下管道，地下供暖回水管(13)最后连接蓄热水槽(2)，形成回路；
所述高温容器换热装置(5)包括进气管(17)、排水管(18)和排气管(19)，所述高温容器换热装置(5)的进气口与发酵池(4)通过进气管(17)连接，排气口与大棚室内通过排气管(19)连接，从发酵池(4)中流出的高温二氧化碳气体和水蒸气经容器内部换热，同时向大棚室内排出二氧化碳气体肥料，所述高温容器换热装置(5)的底部设有排水管(18)，及时排出冷凝水；
所述相变材料装置(3)包括箱体、相变材料和螺旋管道(16)，所述箱体的内部放置有相变材料，所述相变材料内部插有螺旋管道(16)，日间通过插在相变材料内部的螺旋管道(16)，将水从发酵池(4)中吸收的热量传递给相变材料以存储热量，夜间在通过同样的方式，但水流方向相反，将相变材料存储的热量传递给水。
2.根据权利要求1所述的昼夜互补式土壤供暖系统，其特征在于，所述相变材料为石蜡(14)。
3.根据权利要求1所述的昼夜互补式土壤供暖系统，其特征在于，所述箱体外包有保温层(15)。
4.根据权利要求1所述的昼夜互补式土壤供暖系统，其特征在于，所述箱体为塑料箱体。
5.根据权利要求1所述的昼夜互补式土壤供暖系统，其特征在于，所述高温容器换热装置(5)斜放在蓄热水槽(2)中。
6.根据权利要求1所述的昼夜互补式土壤供暖系统，其特征在于，所述昼夜互补式土壤供暖系统还包括热电偶(20)和湿度探头(21)，所述发酵池(4)上设置有热电偶(20)和湿度探头(21)，所述湿度探头(21)用于测量发酵池(4)中的湿度，监测发酵池(4)中的湿度和是否有漏水的情况。
7.根据权利要求6所述的昼夜互补式土壤供暖系统，其特征在于，所述昼夜互补式土壤供暖系统还包括电磁阀A(10)、电磁阀B(11)和恒温阀(12)，所述电磁阀A(10)和恒温阀(12)分别设置在日间进水泵(9)两侧，所述电磁阀B(11)设置在相变材料装置(3)和发酵池(4)之间，通过电磁阀A(10)和电磁阀B(11)实现对发酵池(4)温度的控制，热电偶(20)向电磁阀传输信号，使得当发酵池(4)温度过低时自动关闭电磁阀A(10)和电磁阀B(11)，水将不再流入发酵池(4)中，待发酵池(4)通过微生物的发酵使温度回升则阀门自动开启，继续循环，恒温阀(12)控制进入发酵池(4)中的水温，当日间进水管温度过高则自动关闭恒温阀(12)。
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